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大足北山第136窟的日月观音。这个石窟的佛像保存得极其完整，是大足石刻的明珠，可（suo）惜（yi）门口上了铁栏杆，不让进去看。阳光从我身后照到洞口地面，又反射上去，形成了自下而上的恐怖光，相当不好看。刚才想到了展示方法：反个相就好啦！
不但消除了恐怖光，还给观音笼上了一层神圣的光辉（其实是阴影反相的结果），变得漂亮极了！
如果单是反相的话，赤色的岩石会变成淡蓝色，纯底片效果也不太好。所以还要在PS的“色相/饱和度”设置里，把色相一直拖到180°，就可以看到色彩回归了。
天文界最近的大热点，莫过于“鸽王”——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）——终于迎来了飞向太空的准确日子，2021年12月22日（这次是真的吗）。这架太空望远镜于1996年立项时，目标是2007年上天。然而它命运多舛，经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾，活活拖了14年。现在它（好像）真要出发了，怎不令人心潮澎湃？
为什么詹姆斯·韦伯望远镜如此能鸽呢？它去太空做什么？我们来聊聊。
先说说“詹姆斯·韦伯”这个名字。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA的第二任局长。他主持过的最著名的项目，就是“阿波罗”登月计划。他在任期间，NASA完成了不下75次发射，其中有美国最初的太空环境研究、载人航天和行星际探索任务。
为了表述方便，下文提到“韦伯望远镜”、“韦伯”、“望远镜”或其他足以识别身份的名称时，指的都是本文的主角，詹姆斯·韦伯太空望远镜。
为什么韦伯望远镜成了“鸽王”？暂且按下不表，我们先说说它上天去做什么。了解它的任务和工作方法之后，这个问题也就有了答案。
韦伯望远镜最初的名字是“下一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的。它的官方定位是哈勃继任者，主要任务是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空，追溯宇宙在132亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果，将为宇宙的早期演化史提供重要数据。
光的传播需要时间。我们看到的总是1纳秒前的屏幕、1秒前的月亮、500秒前的太阳、102个月前的天狼星、1340年前的猎户座大星云、250万年前的仙女座大星系。视线越远，看到的景象就越古老。所以，韦伯望远镜的原理很“简单”：使劲往远处看就是了。
可是，宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光，出发时还是紫外线和可见光，百亿年后到达地球时，已经被宇宙膨胀抻成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时，能从星云尘埃中跑出来报信的，也是波长较长、衍射能力较强的红外线。所以，韦伯在0.6~28微米的波段工作，对应的色彩是橙至红外。
我们眉头一皱，发现事情不那么简单了。
地球大气层对于红外线只能做到半透明，还不是信号变弱的问题，而是几个波段根本不予放行。从时空尽头远道而来的红外线，本已奄奄一息，经过大气过滤后，更是缺斤少两。另外，凡有热处就有红外辐射，温暖的地球大气，本身就是巨大的红外干扰源。因而，在地面上无法研究宇宙最深处传来的红外线。那些强大的地面望远镜，如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA，在建的欧洲极大望远镜E-ELT，都不适合做这方面的研究。
怎么办？浮出大气层，到太空中去！哈勃望远镜的轨道够不够？不但不够而且很不合适。哈勃在540公里的高度绕地飞行，这里依然有稀薄的大气，并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时，如果扭头不看太阳，就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。哈勃不太在意这个，是因为它主要工作在紫外和可见光波段。
所以，韦伯望远镜的最终选址，是日地拉格朗日点L2。如果读者不熟悉这个词，只需要知道它是个有趣的位置：在这里的小天体，比地球离太阳远，却能和地球以相同周期绕日公转。L2处于地球轨道外围，距地150万公里（地月距离的4倍）。这里没有大气，并且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向，只要把这个方向挡住，就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。
确切地说，韦伯望远镜并非固定在L2上，而是围着L2画圈飘荡（原理不重要，在此不赘）。为了把各个可能角度的阳光遮挡严实，韦伯望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状，长径21米，短径14米，面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝（前两层掺杂硅）的聚酰亚胺膜，每层膜薄如办公用的透明胶带，并且互相分离。
多层分离是有道理的：假如只有一层，不论它有多厚，即使镀上反光材料，阳面的残留热量还是会传导到阴面，变成红外干扰。而在多层膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据表明，遮光罩的阳面接受300千瓦的辐射功率时，阴面只有23毫瓦的输出。这样的性能，足以让望远镜稳在-220℃以下安心工作。
观测点选好了，太阳光挡上了。解决了信号干扰问题，还有其他问题等着。
作为“下一代”望远镜，韦伯看到的图像要和哈勃一样锐利，但它看的是波长更长的红外线，所以它需要一个更大的镜面才能胜任。想想那些射电望远镜或镜阵，个个都是巨锅，正因为它们侦测的波长更长。
韦伯望远镜有一个直径6.5米的主镜，相比之下，哈勃的主镜直径只有2.4米。韦伯的主镜面积25.4平方米，是哈勃的6.25倍。这面巨镜的性能相当卓越：在2微米的红外波段，韦伯的分辨力可达0.1角秒，相当于站在80公里外看一个乒乓球。它能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体，是人类肉眼观测极限的100亿倍。
有趣的是，韦伯的大镜子竟然比哈勃的还要轻（625公斤：1000公斤）。这里又有高科技了：韦伯的镜板是金属铍，而哈勃用的是玻璃。铍是第四号元素，密度只有水的1.85倍。它够轻，够硬，在望远镜所在的极冷环境下，形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗，反射率不佳，所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金，世界重归完美。
最后，我们该如何把直径6.5米的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢？只有层层折叠后塞进火箭，到了太空再展开。韦伯的主镜不是铍板一块，而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦，每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务，需要大约7000个零件协同工作，才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。
回顾一下，到此为止，目标→问题→解决方案依次是：
回溯时间、观测深空天体→宇宙膨胀使信号变成红外线→那就观测红外线→①地面上无法观测→去拉格朗日点，加遮光罩→②波长太长→加大镜面→镜面太重→用金属铍→铍颜色太灰→镀金→③个头太大→分块折叠、上天展开。
1671年，牛顿研究光的折射时发现，棱镜可以把一束阳光发散为一道彩带。他第一次使用“光谱”（Spectrum）来描述这种色彩排列，还把它划分为赤橙黄绿蓝靛紫七种颜色，来和音乐、日月五星、一周的天数搭建神秘的关系——嗯，牛顿是个狂热的神学家，他研究物理学这门副业，是想找到全知全能的上帝设计宇宙时留下的密码。
牛顿的颜色划分其实并没有什么实用意义，对色彩的感觉和定义，随每个人的生理能力和语言文化的差异，各有不同。光谱，这个当代天文物理学的重要利器，被闲置了一个多世纪。
1802年，沃拉斯顿在太阳光谱里留意到5条暗线，但他只是记了下来，并表示“嗯，有点意思，像是分隔颜色的界线，恐怕三言两语说不清。”
1814年，光谱终于迎来了它的时代。这一年，27岁的夫琅禾费制造了世界上第一台分光仪，独立地再次发现了太阳光谱里的这些暗线。夫琅禾费的分光仪在当时清晰无比，他标记的暗线，达574条之多！
夫琅禾费不仅标记了这些暗线（从现在起，我们称之为“谱线”），还做了进一步研究。他把分光仪指向天狼星和其他一些亮星，从中观察到了相似却有差异的谱线。他由此排除了“这些暗线是地球大气造成”的可能性，因为，假如谱线源自地球大气，那么，各个恒星（包括太阳）的星光穿过相同的地球大气，谱线就应该特征相同。他进一步推断说，这些谱线来自恒星，携带了恒星本身的信息。在那个时代——没有任何前人理论可供参考，而他的发现只能靠后人解释——得到这样的正确结论，是很惊人的。无怪乎这些暗线被称为“夫琅禾费线”了。
夫琅禾费线的重大意义之一，是它锚定了色彩的位置，给色彩赋予了精确的刻度。从这时起，对包括可见光在内的电磁波谱，就可以定量研究了。这一点，我们后面会提到。
夫琅禾费标记这些恒星谱线时，能做出进一步解释的两位主角还没上场。本生才3岁，基尔霍夫还未出生。到了1859年，这两位科学家基于其他一些科学家的零星实验结果，并对照焰色反应的特征谱线，总结出“发射光谱”和“吸收光谱”的概念，对夫琅禾费线的产生机制做出首次系统性的解释。1913年，玻尔更是通过解释氢原子谱线，打开了量子理论的大门。
我们毕竟是来介绍恒星光谱及应用的，不是写科学发展史的，所以，我们就跳过逐层揭示真相的过程，直接用现代的语言来说说事情的本质吧。
原子核周围的电子，有若干个“限定高度的轨道”——这是个打比方的说法，严格称“能级”，但大家不妨先按人造卫星轨道去理解——比如，离地200公里算第一轨道，再高些就是离地300公里的第二轨道，350公里的第三轨道……电子不限于在第一轨道活动，只要它能量够高，就可以到第二、第三这些高轨道去看看。但奇异之处在于，它去更高轨道时，并不会200、201、202、203……这样逐次爬升，而是腾地一声，瞬移到300或者350。甚至，它从200到350时，也并不需要途经300。所以我们刚才说“限定高度的轨道”，限定规则就是，除了这些轨道高度之外，不允许电子存在于任何中间高度。
另外，电子从200公里向300公里转移时，必须精确充值100公里的能量。如果它获得99公里，那么我们前面说过，299公里的轨道不许存在，所以它过不去。先充99备着，等凑够100如何？不行，能量必须一次花完，不许存着。如果来的能量是101公里呢？能不能充100公里，找零1公里？抱歉，也不行。这就是量子世界的奇妙规矩。
比方打完，接下来用认真的术语，应该不难理解了。太阳核心是个炽热而拥挤纷乱的核电站，光子从这里出发，挣扎十几万年爬到表面，各种波长的都有，本来是个连续的光谱。但它们飞向太空时，就必须穿越太阳大气。如果有一个波长656.28纳米的光子撞到了氢原子，它携带的能量，刚好可以让一个第二能级的电子跃迁到第三能级，那这个光子就被氢原子吸收了，而其他波长的，由于电子跃迁时不储蓄、不找零，就可以自如通过。如果我们在这个氢原子身后架起分光仪，就会看到656.28纳米处的红光区出现一条暗线。
太阳大气中不只有氢，还有种种其他元素。在各种原子核的身边，电子所处的能级、它们各自想去的能级、各自需要充值的光子能量，也有多种可能。于是，当一份连续光谱冲出太阳大气之后，就会被截留下许许多多特定波长的光子，夫琅禾费线也就出现了。
反过来想，如果检查太阳谱线，和各种元素的特征谱线一一对照，就可以知道太阳大气的化学成分。事实上，氦元素就是在1868年观测太阳光谱时发现的，而它在地球上被发现，则是27年后的事了。起初人们甚至以为，它只在太阳上存在，所以起了个Helium的名字（太阳神Helios），旧译氜。这个汉字造得很忠实啊，可惜弃用了。
我们再来重温夫琅禾费的发现，去分析各个恒星的光谱，就会得到和他当年一致的结论：光谱携带着恒星的信息。恒星的质量、年龄都不同，温度、亮度、色彩和大气成分也就有了差异，并体现在它的光谱上。例如，温度极高的青壮年热星发出高能的蓝光，它在蓝端的光度分配比较多，并且作为燃料的氢线浓重；而濒临死亡的恒星，高光度就集中在红端，氢线极其微弱，作为炉渣的碳线则较发达。
